JP2003033862A - 溶鋼加熱用プラズマトーチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶鋼の加熱に用いるプラズマトーチのトーチ
電極に生じる熱による溶損やスプラッシュによる磨耗を
防止して、プラズマトーチの長寿命化を図り、鋳造操業
や鋳片の品質を向上することができる溶鋼加熱用プラズ
マトーチを提供する。 【解決手段】 底が塞がれ内部を冷却水が流れる外筒１
２と、外筒１２の内側にアルゴンガスを通過する隙間を
もって装着された有底で内部に冷却水供給路２０を設け
た筒状のトーチ電極１６を備え、しかも、トーチ電極１
６の下端部が放電電極部１５となったプラズマトーチ１
０において、放電電極部１５が内部を流れる冷却水と接
する底面１５ｂから先端１５ａまでの距離Ｌにおける平
均直径をＤとした場合、距離Ｌと平均直径Ｄが下式を満
たしている。 ０．５〜１．１＝Ｌ／Ｄ

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマトーチの
トーチ電極の溶損を抑制して長寿命化を図ることができ
る溶鋼加熱用プラズマトーチに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、鋳片は、溶鋼を取鍋からタンディ
ッシュに受湯してから、タンディッシュの底部に設けた
浸漬ノズルから鋳型に注湯し、鋳型による冷却と、支持
セグメントに布設した冷却水ノズルからの散水による冷
却によって、凝固させてからピンチロールによって所定
の速度で引き抜いて製造される。しかし、タンディッシ
ュに受湯する溶鋼は、常に大気に熱を放散しており、取
鍋の容量が大きく、鋳造時間が長くなる場合や鋼種によ
って溶鋼の過熱温度を低く制限される場合に、鋳造途中
からタンディッシュ内の溶鋼温度が標準温度よりも低下
する。この温度低下は、鋳型に注湯する浸漬ノズルの詰
まりを生じたり、不純物（介在物）の分離が阻害される
ため、鋳片の品質を損なうことになり、極端に低下する
と、鋳造作業そのものが中断する場合がある。この対策
として、特開平３−４２１５９号公報に記載されている
ように、タンディッシュ内の溶鋼表面の上方にトーチ電
極（アノード電極とカソード電極）を備えた一対のプラ
ズマトーチを配置し、溶鋼にプラズマアークを飛ばし
て、プラズマアークの熱による溶鋼の加熱と、このプラ
ズマ用のガスにアルゴンとＣＯガスを用いてアーク電圧
を増加させてプラズマアークの出力を高めることが行わ
れている。更に、特開平６−３４４０９６号公報に記載
されているように、タンディッシュ内の溶鋼表面の上方
に、プラズマトーチのアノード電極を配置し、陰極を構
成するカソード電極を溶鋼中に浸漬しておき、アノード
電極から溶鋼表面にプラズマアークを飛ばして、溶鋼を
加熱することが行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
３−４２１５９号公報、特開平６−３４４０９６号公報
に記載された溶鋼の加熱方法では、プラズマトーチの先
端が溶損や磨耗によって損耗し、プラズマトーチの寿命
が極端に低下する。この溶鋼の加熱を行う際のプラズマ
トーチのトーチ電極の表面は、プラズマアークの熱や溶
鋼の輻射熱、及びプラズマアークやプラズマ形成用のア
ルゴンガス等に起因した溶鋼のスプラッシュ等によっ
て、局部的な溶損や磨耗が発生する。その結果、電極の
表面に凹凸が形成されたり、トーチ電極の先端の板厚み
が薄くなり、外側に変形していわゆる凸部（あるいは出
っ張り）が発生する。凸部が発生すると、その凸部にプ
ラズマアークが集中し、凸部の熱負荷が大きくなり、そ
の表面温度が電極の材料の融点より高くなる。しかも、
溶鋼の加熱は、５００〜５０００Ａの高電流を通電し、
プラズマアークを溶鋼の表面に連続して飛ばして行われ
るため、凸部へのプラズマアークの集中と、凸部の溶損
（磨耗）とが繰り返され、溶損（損耗）は急激に進行す
る。そして、トーチ電極の表面の急激な損耗は、プラズ
マトーチの寿命を大幅に低下して溶鋼の加熱処理コスト
が上昇し、プラズマトーチの取り替え時間が発生し、加
熱が不可能になり溶鋼温度の低下に伴う鋳片の品質の低
下、浸漬ノズル詰まり等による鋳造操業の不安定化等の
問題が生じる。

【０００４】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
で、溶鋼の加熱に用いるプラズマトーチのトーチ電極に
生じる熱による溶損やスプラッシュによる磨耗を防止し
て、プラズマトーチの長寿命化を図り、鋳造操業や鋳片
の品質を向上することができる溶鋼加熱用プラズマトー
チを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的に沿う本発明に
係る溶鋼加熱用プラズマトーチは、底が塞がれ内部を冷
却水が流れる外筒と、該外筒の内側にアルゴンガスを通
過する隙間をもって装着された有底で内部に冷却水供給
路を設けた筒状のトーチ電極を備え、しかも、前記トー
チ電極の下端部が放電電極部となったプラズマトーチに
おいて、前記放電電極部が内部を流れる冷却水と接する
底面から先端までの距離Ｌにおける平均直径をＤとした
場合、距離Ｌと平均直径Ｄが下式を満たしている。 ０．５〜１．１＝Ｌ／Ｄ ・・・・・（１） これにより、トーチ電極の放電電極部の外表面の冷却が
良好になり、プラズマアーク熱や溶鋼の輻射熱に起因し
た放電電極部の温度の上昇を抑制し、放電電極部の表面
の溶損を防止でき、更に、スプラッシュ等に起因する先
端の磨耗を抑制することができ、同時に冷却水の圧力等
による張り出しを抑制して放電電極部の表面を平滑に維
持し、プラズマアークの集中による溶損を防止すること
ができる。Ｌ／Ｄが０．５未満になると、放電電極部の
厚みが薄くなって放電電極部表面の抜熱を良くできる
が、放電電極部表面に形成された凸部にプラズマアーク
が集中して急激な溶損を生じた際、トーチ先端肉厚全体
を貫通する孔が開いてトーチ電極の寿命が低下する。一
方、Ｌ／Ｄが１．１を超えると、放電電極部表面の冷却
が悪くなり、表面温度の上昇による溶損やトーチ電極表
面に形成される凸部に集中するプラズマアークによって
急激に溶損が進行し、トーチ電極の寿命を延長すること
ができない。この理由からＬ／Ｄを０．６〜０．９にす
るとより好ましい結果が得られる。

【０００６】更に、前記プラズマトーチは、アノードト
ーチとカソードトーチに用いると良い。これにより、ト
ーチ電極を用いたアノードトーチとカソードトーチの耐
溶損性が高められ、プラズマトーチの寿命を安定して延
長することができる。

【０００７】更に、トーチ電極の電流を５００〜５００
０Ａとした場合、前記プラズマトーチに供給するプラズ
マ形成用のアルゴンガス量を３００〜１０００ＮＬ／分
にすることが好ましい。放電電極部と溶鋼の表面の間
に、放電電極部の先端を包み、しかも、放電電極部から
溶鋼表面に向かってイオン化されたアルゴンガスを含む
アルゴンガス流が形成されるので、放電電極部から溶鋼
表面に飛ぶプラズマアークの乱れをなくしてサイドアー
クの発生を防止することができる。アルゴンガス量が３
００ＮＬ／分未満になると、イオン化されたアルゴンガ
スの流れが弱くなり、放電電極部の外周を覆うアルゴン
ガス流が形成されず、サイドアークが発生し易くなる。
一方、アルゴンガス量が１０００ＮＬ／分を超えると、
プラズマアークの安定効果が期待できず、アルゴンガス
流による溶鋼のスプラッシュが発生して、放電電極部の
寿命が低下する。

【０００８】

【発明の実施の形態】続いて、添付した図面を参照しつ
つ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発
明の理解に供する。図１は本発明の一実施の形態に係る
溶鋼加熱用プラズマトーチの先端部の断面図、図２は距
離Ｌ／平均直径Ｄとトーチ電極寿命指数の関係を表すグ
ラフである。図１に示すように、本発明の一実施の形態
に係る溶鋼加熱用のプラズマトーチ１０は、先端を底部
１１によって塞いで、内部には冷却水が流れる二重管か
らなる外筒（フロントエンドともいう）１２と、この外
筒１２の内側に、アルゴンガス通路１３ａを有するスペ
ーサ１３を挟んで、装着された有底で筒状のトーチ電極
１６を有している。外筒１２とトーチ電極１６の間に
は、アルゴンガスが通過する隙間を形成するアルゴンガ
ス供給路１４が設けられている。更に、トーチ電極１６
は、外側の内外管１７と内側の内管１９とで構成される
二重管からなり、内外管１７の先端部には、その先端１
５ａを先細りにし図示しない加電手段に連通した放電電
極部１５が取付けられている。内管１９の内部には、冷
却水給水路２０が設けており、冷却水給水路２０に供給
された冷却水は、内管１９の先端に放電電極部１５の底
面１５ｂと２〜１０ｍｍの隙間を開けて設けた冷却水案
内板（デバイザー）２１を介して、内外管１７と内管１
９の間の冷却水の排水路１８へ流れるようになってい
る。

【０００９】次に、本発明の一実施の形態に係る溶鋼加
熱用プラズマトーチ１０の動作について説明する。外筒
１２の内部に、２００ＮＬ／分の冷却水を供給し、外筒
１２の内部及び外筒１２の底部１１を冷却することによ
り、雰囲気中の熱によってトーチ電極１６の先端部や胴
体等の温度が上昇するのを防止し、プラズマトーチ１０
が溶損したり、あるいは曲がり（変形）等の発生を防止
している。この外筒１２の内側とトーチ電極１６の外側
の間に形成されたアルゴンガス供給路１４に３００〜１
０００ＮＬ／分のアルゴンガスが供給され、このアルゴ
ンガスは、トーチ電極１６の下端部（先端部）の放電電
極部１５の周囲を包み、しかも、下流側に向かうアルゴ
ンガス流を形成し、雰囲気をアルゴンガスによって置換
すると共に、プラズマ形成用のガスとして利用される。
更に、トーチ電極１６の内管１９の内部の冷却水給水路
２０に供給された冷却水は、下流側（図中矢印）に流下
し、放電電極部１５の底面１５ｂを十分に冷却した後、
排水路１８を通り、外筒１２の内側を冷却してから排水
される。

【００１０】そして、直流加電装置によって、放電電極
部１５に５００〜５０００Ａで通電を行い、これによ
り、放電電極部１５の先端１５ａからプラズマアークが
例えば、溶鋼に向かって形成される。このプラズマアー
クは、２５００〜３０００℃の高温であるため、プラズ
マアーク熱や溶鋼等の輻射熱による熱を受けて放電電極
部１５の先端１５ａの表面温度が上昇し、トーチ電極１
６が急激に溶損したり、溶鋼のスプラッシュにより損耗
して寿命が低下する。

【００１１】従って、放電電極部１５の先端１５ａから
放電電極部１５が冷却水に接する底面１５ｂまでの所定
間隔毎の放電電極部１５の直径を求め、この値を平均し
た平均直径Ｄと、放電電極部１５の冷却水に接する底面
１５ｂから放電電極部１５の先端１５ａまでの距離Ｌが
下式を満たすようにしている。 ０．５〜１．１＝Ｌ／Ｄ ・・・・・（１） なお、Ｌ／Ｄの比を用いるのは、放電電極部１５の平均
直径Ｄが受熱面として仮定でき、この受熱面から伝わる
熱を底面１５ｂから冷却水によって冷却することから、
底面１５ｂから放電電極部１５の先端１５ａまでの距離
Ｌが重要になるからである。このＬ／Ｄの値が０．５〜
１．１の範囲を満たすことにより、放電電極部１５の表
面に集中する前記したプラズマアーク熱や溶鋼等の輻射
熱による熱を放電電極部１５の底面１５ｂから抜熱して
放電電極部１５の表面を冷却し、放電電極部１５の先端
１５ａの表面温度が上昇するのを抑制でき、しかも、放
電電極部１５の先端１５ａの温度の上昇を抑制すること
により、放電電極部１５の先端１５ａの表面を平滑に維
持することができ、プラズマアークの集中を抑制し、温
度の上昇に起因する急激な溶損や溶鋼のスプラッシュに
より損耗を防止してトーチ電極１６の寿命を大幅に向上
することができる。

【００１２】更に、アルゴンガス供給路１４を通過する
アルゴンガスは、放電電極部１５を囲み溶鋼に向かう流
れを形成する。このアルゴンガスによって、放電電極部
１５と溶鋼の間をアルゴンガス雰囲気にしているので、
放電電極部１５への通電によって雰囲気中のアルゴンガ
スがイオン化して溶鋼に向かうプラズマアークを導き、
放電電極部１５の先端１５ａから溶鋼間に良好なプラズ
マアークを形成することができる。その結果、アルゴン
ガスのイオン化の促進によって、プラズマアークの乱れ
を抑制する効果がより高められ、プラズマアークを安定
させることができる。更に、プラズマアークの乱れを抑
制することによって、放電電極部１５の先端１５ａと溶
鋼表面の間以外の部分、例えば、外筒１２の底部１１等
に短絡するサイドアークをより確実に防止することがで
きる。

【００１３】更に、放電電極部１５に用いる材料として
は、Ｃｕ（銅）やＣｕに、Ｗ（タングステン）、Ｃｒ
（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｚｒ（ジルコン）、Ｃ
ｏ（コバルト）等の一種、あるいは二種以上を添加した
組成のものを用いることができる。特に、Ｃｕ・Ｗ合金
を用いると、導電性が良好になり、しかも、放電電極部
１５の耐熱強度が高められ、プラズマアークの熱や溶鋼
の輻射熱に対する耐溶損、及びスプラッシュ等による耐
磨耗を発現できる。

【００１４】

【実施例】次に、本発明の一実施の形態に係る溶鋼加熱
用プラズマトーチの実施例について説明する。トーチ電
極の放電電極部にＣｕが７０重量％、Ｗが重量％の材料
を用い、放電電極部の平均直径をＤｍｍ、放電電極部の
先端部から冷却水によって冷却される底面までの距離を
Ｌｍｍとし、この時のＬ／Ｄを変化させ、このトーチ電
極をカソードのプラズマトーチに用いて、アルゴンガス
を５００ＮＬ／分供給し、２００Ｖ、３０００Ａの電流
を流してプラズマアークを発生させて溶鋼の加熱を行
い、従来のカソードのプラズマトーチのトーチ電極のＬ
／Ｄを指数１とした場合のトーチ電極寿命指数を調査し
た。その結果を図２に示す。トーチ電極の放電電極部の
Ｌ／Ｄを１．１以下、０．５以上にすることにより、耐
溶損及び耐磨耗性が向上し、トーチ電極の寿命指数を
１．３〜２．３に向上でき、使用寿命を１１０〜１８０
時間と大幅に延長することができた。

【００１５】これに対し、トーチ電極の放電電極部のＬ
／Ｄを１を超えて１．２未満にした従来の場合、プラズ
マアークの熱や溶鋼の輻射熱に対する溶損及び溶鋼のス
プラッシュによる磨耗等が発生し、トーチ電極の寿命指
数が本実施例に比べて低くなり、使用寿命が５０〜７０
時間に短くなり、プラズマトーチの取り替え頻度が高く
なり、溶鋼の加熱作業に支障が生じ、操業のコストも高
くなった。

【００１６】以上、本発明の実施の形態を説明したが、
本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨
を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲であ
る。例えば、トーチの電極の材料としては、Ｃｕや、Ｃ
ｕに、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｃｏ等の一種以上を添加
した組成の他に、導電性を備えた耐溶損、耐磨耗を有す
る他の金属あるいは合金を使用することができる。ま
た、プラズマトーチに用いるプラズマ形成用のガスとし
ては、アルゴンガスの他に、窒素ガス、ヘリウムガス、
ネオンガス等を用いるか、アルゴンガスとこれ等のガス
を混合して使用することができる。更に、このプラズマ
トーチは、アノードトーチとカソードトーチに用いるこ
とができる。

【００１７】

【発明の効果】請求項１〜３記載の溶鋼加熱用プラズマ
トーチにおいては、底が塞がれ内部を冷却水が流れる外
筒と、外筒の内側にアルゴンガスを通過する隙間をもっ
て装着された有底で内部に冷却水供給路を設けた筒状の
トーチ電極を備え、しかも、トーチ電極の下端部が放電
電極部となったプラズマトーチにおいて、放電電極部が
内部を流れる冷却水と接する底面から先端までの距離Ｌ
における平均直径をＤとした場合、距離Ｌと平均直径Ｄ
が所定の範囲を満たしているので、トーチ電極の放電電
極部の先端の表面温度の上昇を抑制し、放電電極部表面
の溶損を防止でき、更に、スプラッシュ等に起因する先
端の磨耗を抑制してプラズマトーチの寿命を延長でき、
しかも、鋳造操業や鋳片の品質を向上と、操業コストを
低減することができる。

【００１８】請求項２記載の溶鋼加熱用プラズマトーチ
においては、プラズマトーチは、アノードトーチとカソ
ードトーチに用いるので、溶鋼の加熱作業が容易にな
り、しかも、溶鋼の加熱効率を高めることができる。

【００１９】請求項３記載の溶鋼加熱用プラズマトーチ
においては、トーチ電極の電流を５００〜５０００Ａと
した場合、プラズマトーチに供給するプラズマ形成用の
アルゴンガス量を３００〜１０００ＮＬ／分にするの
で、トーチ電極から溶鋼表面に向かってイオン化された
アルゴンガスの流れが形成され、良好なプラズマアーク
を形成でき、プラズマアークのサイドアークの発生を防
止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る溶鋼加熱用プラズ
マトーチの先端部の断面図である。

【図２】Ｌ／Ｄとトーチ電極寿命指数の関係を表すグラ
フである。

【符号の説明】 １０：プラズマトーチ、１１：底部、１２：外筒（フロ
ントエンド）、１３：スペーサ、１３ａ：アルゴンガス
通路、１４：アルゴンガス供給路、１５：放電電極部、
１５ａ：先端、１５ｂ：底面、１６：トーチ電極、１
７：内外管、１８：排水路、１９：内管、２０：冷却水
給水路、２１：冷却水案内板（デバイザー）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福永 新一 福岡県北九州市戸畑区飛幡町１番１号 新 日本製鐵株式会社八幡製鐵所内 Ｆターム(参考） 4E014 AA01

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 底が塞がれ内部を冷却水が流れる外筒
   と、該外筒の内側にアルゴンガスを通過する隙間をもっ
   て装着された有底で内部に冷却水供給路を設けた筒状の
   トーチ電極を備え、しかも、前記トーチ電極の下端部が
   放電電極部となったプラズマトーチにおいて、前記放電
   電極部が内部を流れる冷却水と接する底面から先端まで
   の距離Ｌにおける平均直径をＤとした場合、距離Ｌと平
   均直径Ｄが下式を満たしていることを特徴とする溶鋼加
   熱用プラズマトーチ。 ０．５〜１．１＝Ｌ／Ｄ
2. 【請求項２】 請求項１記載の溶鋼加熱用プラズマトー
   チにおいて、前記プラズマトーチは、アノードトーチと
   カソードトーチに用いることを特徴とする溶鋼加熱用プ
   ラズマトーチ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の溶鋼加熱用プラズ
   マトーチにおいて、前記トーチ電極の電流を５００〜５
   ０００Ａとした場合、前記プラズマトーチに供給するプ
   ラズマ形成用のアルゴンガス量を３００〜１０００ＮＬ
   ／分にすることを特徴とする溶鋼加熱用プラズマトー
   チ。